文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.171504
中文引用格式: 王穎,,張斌珍,,段俊萍,等. 一種雙田字型太赫茲波導定向耦合器的設(shè)計方法[J].電子技術(shù)應用,,2018,,44(1):88-90,95.
英文引用格式: Wang Ying,,Zhang Binzhen,,Duan Junping,,et al. A design of terahertz waveguide directional coupler with double "tian-shape"[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(1):88-90,,95.
0 引言
太赫茲波是指頻率為0.1~10 THz的電磁波[1],,定向耦合器作為一種有著方向性的功率分配器件,,它能夠通過控制輸出信號的大小來定向的耦合傳輸信號[2]。其中波導定向耦合器[3]由于其突出性能(如具有較高的方向性和較低的插入損耗等),,在微波領(lǐng)域中用途十分廣泛,,在通信系統(tǒng)、電子對抗,、雷達系統(tǒng)和測試測量儀器中都有著重要作用,。其主要用途有對功率進行分配和合成、擴大功率量程,、監(jiān)視功率和頻譜[4],,在系統(tǒng)中耦合器主要性能表現(xiàn)為在最小的干擾下對主信號獲得較精確的耦合信號。其主要指標有方向性,、耦合度,、插入損耗等。為了解決太赫茲頻段信號的采集和測量存在的難題,,研究出體積小且性能高的太赫茲波導定向耦合器具有重要意義[5]。
本文設(shè)計的耦合器,,以分支線理論為基礎(chǔ),,在中間部分加一橫向貫穿的支線形成兩個田字來提高工作帶寬,對分支線底部進行加粗來提高加工的可行性,;用HFSS軟件仿真,,結(jié)果較好,有較高的方向性,、強耦合度和較低的插入損耗,;以硅為材料,用MEMS刻蝕工藝對其進行加工,并且給出了實物圖,。
1 波導定向耦合器的設(shè)計
如圖1所示,,在兩波導中間有一些等間距排列的孔,信號從端口1輸入,,從端口2和端口3輸出,,端口4無輸出(因為其為隔離端)[6]。從端口1到端口4的功率分別為P1~P4,,理想狀態(tài)下P4的值為0,,但是在實際工作中仍會有小部分信號從端口4輸出。
為了使耦合信號滿足一定的分布,,可以通過調(diào)整耦合孔的位置和大小來使反向波的振幅達到最小[7],,即使隔離端的信號輸出達到最小,從而實現(xiàn)有效增加帶寬和提高方向性的目的,。
基于這個原理,,在分支線中間部位加入一橫向貫穿3支線的窄槽形成一個田字型,用同樣的方法形成雙田字,,從而有效增加帶寬,。對靠近波導寬邊的分支線根部進行加粗是為了提高應力,使得在進行刻蝕步驟時不易斷裂,,提高加工的可行性,。耦合器模型圖如圖2所示。
波導定向耦合器主要指標之間存在一定的關(guān)系,,即如果想要耦合度達到較好的平坦性,,那么帶寬和方向性將會降低;若要達到較高的方向性,,那么就要犧牲工作帶寬和耦合度平坦性,。耦合度和耦合度平坦性是耦合器最重要的指標之一,用HFSS軟件仿真,,且綜合考慮主要指標之間的關(guān)系后確定了最優(yōu)尺寸,,各參數(shù)代表的物理意義和各參數(shù)的值分別如圖3和表1所示。
a和b分別表示靠近波導寬邊的加粗部位的高度和長度,,c表示兩分支線的距離,,l為兩波導之間的距離。
2 波導定向耦合器的仿真和優(yōu)化
該波導定向耦合器使用商業(yè)軟件HFSS進行仿真和優(yōu)化,,在該模型中輸入和輸出采用WR-2.2標準波導,,其尺寸為0.56 mm×0.28 mm。
圖4(a)和圖4(b)分別為波導定向耦合器S參數(shù)曲線圖和各端口回波損耗圖,。從圖4(a)中可知,,插入損耗S21接近于0 dB,,隔離度S41小于-20 dB,耦合度S31在工作帶寬內(nèi)為-6.3 dB,,屬于強耦合,,耦合度平坦性是耦合器的重要指標之一,它關(guān)系到測量結(jié)果的準確與否,。曲線波動越小,,測量結(jié)果越精確。S31曲線近乎于一條直線,,說明該耦合器具有較好的耦合度平坦性,。從圖4(b)可知,各端口的回波損耗小于-20 dB,。
對各個參數(shù)進行優(yōu)化的過程中發(fā)現(xiàn),,耦合孔的高度即兩波導寬邊的距離l對耦合度影響較大,其他參數(shù)對結(jié)果也有一定影響,。給l設(shè)置一定的變化范圍,,從0.15 mm~0.4 mm之間變化,間隔為0.05 mm,,圖5給出了耦合度S31隨耦合孔的高度l變化的關(guān)系曲線,。隨著l的增加,耦合度曲線先逆時針旋轉(zhuǎn)逐漸趨于平穩(wěn),,隨后曲線向反方向傾斜且在高頻段出現(xiàn)了毛刺,,即S31圍繞著某一點逆時針旋轉(zhuǎn),該點大概在中心頻率附近,。綜合考慮耦合度和方向性等指標之間的關(guān)系,,最后選取l=0.30 mm。
圖6為耦合器電場分布圖,,色譜上部分表示高電場,,下部分表示低電場,電場分布主要集中在低電場部分,。從圖6中可知,,從端口1輸入的大部分信號通過直通波導從端口2輸出,僅有一小部分信號從耦合端口3輸出,,端口4被隔離,,無信號輸出。
3 波導定向耦合器的工藝及實現(xiàn)方案
由于太赫茲頻段較高,,波導定向耦合器尺寸微小,為微米級別,,對加工精度有著較高的要求,,一般的機械加工難以滿足其要求,,在高頻段設(shè)備尺寸的改變對電磁波傳輸性能有著較大的影響[8]。
圖7為太赫茲波導定向耦合器的加工工藝流程,。圖7(a)以硅片為基底,,勻膠;圖7(b)光刻出圖形并顯影,;圖7(c)對硅片進行刻蝕,,形成通孔;圖7(d)除去掩膜層,,濺射50 nm的金屬鈦,,然后濺射金屬金、電鍍,,由趨膚深度公式[9]可知金的厚度要達到3 μm,,其中鈦的作用是作為粘附層,增加金和硅片的粘附力,;圖7(e)在一定的溫度和壓力條件下進行金-金鍵合,。圖8為鍵合工藝簡圖,用另外兩片薄硅片濺射上一定厚度的金屬金在一定條件下進行鍵合,,使其形成封閉腔室且使結(jié)構(gòu)內(nèi)部金屬化,。
在深硅刻蝕的過程中發(fā)現(xiàn),硅的側(cè)壁陡直度[10]達不到90°,,側(cè)壁越傾斜,,對后續(xù)硅片的金屬化影響越嚴重,則對耦合器性能影響也越大,,但在實驗中發(fā)現(xiàn)側(cè)壁陡直度可以達到89.5°,,影響較小。圖9為耦合器實物圖,。
4 結(jié)論
本文主要討論了工作頻率在313~383 GHz太赫茲波導定向耦合器的設(shè)計與制作,,介紹了多孔耦合原理,使用標準波導口(WR-2.2)在分支線耦合原理基礎(chǔ)上設(shè)計了雙田字型結(jié)構(gòu),,相比于分支線結(jié)構(gòu)和單田字型結(jié)構(gòu),,雙田字型結(jié)構(gòu)有效增加了帶寬和提高了方向性。通過優(yōu)化耦合孔的各個尺寸來完成其寬頻帶的設(shè)計,,該耦合器帶寬為70 GHz,,具有高方向性和強耦合度,且耦合度曲線有較好的平坦性,。介紹了基于MEMS工藝的制作流程,,通過深硅刻蝕工藝來完成主要部分的加工,可以很好地控制好耦合孔的厚度,,使耦合孔厚度效應不顯著,,并且可以保證耦合孔尺寸的精度,,保證耦合器的各項性能。在保證加工高精度要求的前提下,,同時也滿足了定向耦合器的小型化,,使結(jié)構(gòu)緊湊,這在固有的機械領(lǐng)域是很難實現(xiàn)的,。該設(shè)計為高性能太赫茲波段耦合器的設(shè)計及加工工藝提供了一定參考,,為大批量生產(chǎn)耦合器提供了一定的借鑒。
參考文獻
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